孫技星 鐘成
(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),武漢,430074) (教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢))
何宏偉 努熱曼古麗·托乎提 李卉
(湖北省鄂西地質(zhì)測繪隊) (中國地質(zhì)大學(xué)(武漢))
根據(jù)《聯(lián)合國防治荒漠化公約》,荒漠化定義為:在自然因素與人為因素的相互影響下,干旱區(qū)、半干旱區(qū)與亞濕潤干旱區(qū)的土地逐漸退化的現(xiàn)象[1]。根據(jù)聯(lián)合國公布的相關(guān)數(shù)據(jù),全世界約1/3的陸地面積和1/6的人口受到土地荒漠化的威脅。全球每年土地荒漠化約為5×104~7×104km2,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為430億美元[2]。我國是世界上土地荒漠化面積最大、危害程度最嚴(yán)重、受影響人口最多的國家之一,荒漠化土地面積占國土面積的27.5%,約為270萬km2,全國近4億人口受到土地荒漠化影響。每年因荒漠化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為541億元[3-4]。目前,我國荒漠化得到一定的控制,但是仍有加速擴(kuò)大的風(fēng)險,荒漠化每年平均擴(kuò)大2 460 km2左右,這嚴(yán)重影響了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會安定[5]。開展荒漠化遙感監(jiān)測,準(zhǔn)確及時掌握全國土地荒漠化范圍、面積、程度及其時空變化動態(tài),是有效治理荒漠化土地的重要前提[6-7]。通過調(diào)查荒漠化類型、形態(tài)、分布狀況與活動情況,有助于尋找荒漠化內(nèi)外部影響因素,進(jìn)一步分析荒漠形成機(jī)理和預(yù)測其時空動態(tài)的基礎(chǔ)[8]。植被結(jié)構(gòu)、物候期、植被生產(chǎn)力和覆蓋度等相關(guān)指標(biāo)已經(jīng)成為國內(nèi)外大范圍土地荒漠化監(jiān)測的主要手段之一。韋振鋒等[9]和元志輝等[10]利用植被歸一化指數(shù)(NDVI)對我國西北地區(qū)的荒漠化監(jiān)測進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)大部分地區(qū)的植被歸一化指數(shù)在雨季出現(xiàn)明顯上升的動態(tài)。Yin et al.[11]利用植被降水利用率指標(biāo)分析1999年以來內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境,發(fā)現(xiàn)總體形式好轉(zhuǎn),但該地區(qū)降水變化較大,干旱和極干旱的界限異常變動。韓蘭英等[12]利用MODIS數(shù)據(jù),采用改進(jìn)型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(MSAVI)、地表反照率(ALBEDO)、陸地表面溫度(LST)、植被覆蓋度(FAVI)和溫度植被旱情指數(shù)(TVDI)等作為沙漠化程度的指標(biāo)。沙漠化主要評價指標(biāo)中改進(jìn)型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)的分類精度最高,說明改進(jìn)型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)所反應(yīng)的荒漠化信息最多,對荒漠化遙感檢測的貢獻(xiàn)最大;其次是植被覆蓋度、陸地表面溫度和地表反照率等;分類精度最小的是反應(yīng)土壤濕度的溫度植被旱情指數(shù)指標(biāo),說明它對荒漠化遙感監(jiān)測的貢獻(xiàn)也最小。何磊等[13]綜合利用landsat-5TM和MODIS數(shù)據(jù)開展驗證比較實驗,發(fā)現(xiàn)小范圍地區(qū)內(nèi),Landsat-5TM更有利于分析土地荒漠化現(xiàn)象。
目前遙感荒漠化監(jiān)測主要是利用少數(shù)時間節(jié)點的影像分析一定時間段內(nèi)荒漠化的動態(tài)變化情況,并結(jié)合自然因素和人為因素開展驅(qū)動因素。降水、氣溫和人類活動等因素為連續(xù)變化過程,利用少數(shù)斷面的土地覆蓋變化無法做合理的相關(guān)性分析,難以深入挖掘土地荒漠化與自然因素、人為因素的相互作用的機(jī)制和過程,具有一定的局限性。本文利用2000—2015年連續(xù)影像、溫度、降水等數(shù)據(jù),分析土地荒漠化變化過程以及自然因素和人類活動對土地荒漠化動態(tài)的影響,揭示不同地區(qū)土地荒漠化主要影響因素。
我國陸地面積為960萬km2,居世界第三位,大部分地區(qū)屬于溫帶和副熱帶季風(fēng)氣候,地形地貌和氣候條件豐富多樣,有林地、平原、山地、冰川、黃土、沙漠、草原等多種地貌。北方主要為干草原和荒漠,南方擁有丘陵山地、湖泊盆地和熱帶雨林,西部主要是高原、大型山脈(如青藏高原和橫斷山脈、喀喇昆侖山脈、柴達(dá)木盆地和喜馬拉雅山脈)和沙漠。東臨太平洋,領(lǐng)海包括渤海、黃海、東海和南海等海域,水域總面積470萬km2,擁有大小島嶼7 600個。
中國總體地勢西高東低,分為三級階梯:第一級是位于西南部的青藏高原,該地區(qū)平均海拔高度4 000 m以上,被稱為世界第三極和“世界屋脊”;第二級階梯以高原和盆地為主,包括新疆、甘肅、四川盆地、黃土高原和云貴高原等。東北平原、華北平原、河南、湖北和江南地區(qū)至黃海和東海沿岸,是以沖積平原、低矮丘陵為主的第三階梯,我國大部分人口生活在該地區(qū)。以面積百分比計算,我國高原、山地、平原、盆地和丘陵分別為33.30%、26.04%、18.75%、11.98%和9.90%。西北地區(qū)主要為干草原和荒漠,包括塔克拉瑪干沙漠和戈壁沙漠;南方擁有丘陵矮山、湖泊平原和熱帶雨林;西部主要是高原、大型山脈和沙漠,在中國和尼泊爾的邊境有地球海拔最高的山峰,珠穆朗瑪峰,海拔高度海拔高度8 848 m。
遙感數(shù)據(jù):遙感數(shù)據(jù)為MODIS中國合成產(chǎn)品MODEV1F(TERRA星),來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)。由MODEV1F數(shù)據(jù)取月內(nèi)最大值,經(jīng)過幾何校正和大氣校正。時間和空間分辨率分別為月和500 m,時間范圍從2000年1月至2015年12月,每年12景,共180景。數(shù)據(jù)集原始影像像元灰度值(DN)的存在異常值,利用ENVI軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量歸一化處理,將其歸一化到-1.0~1.0,考慮為了更好的去除云、霧和太陽高度角等異常值的影響利用最大值合成法(MVC)對月分辨率的植被歸一化指數(shù)進(jìn)行最大化處理,得到2001年1月至2015年12月的月植被歸一化指數(shù)數(shù)據(jù)。
氣象數(shù)據(jù):全國839個氣象站點從2001—2015年降水量及氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。氣象站點分布如圖1,其中東部發(fā)達(dá)、交通便利地區(qū)氣象站點分布較為密集,而西部條件惡劣地區(qū)氣象站點分布稀疏。原始數(shù)據(jù)為文本格式,利用Matlab編寫程序讀入每日降水總量及平均溫度數(shù)據(jù),計算月平均值、年平均值,并將氣象站坐標(biāo)和相應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap,利用克里金插值法繪制全國降水量圖和氣溫分布圖。
圖1 研究區(qū)及氣象站分布
社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù):社會經(jīng)濟(jì)主要來源于中央人民政府和各省、直轄市、自治區(qū)每年發(fā)布的國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報??紤]人類活動對荒漠化直接作用較為明顯的是人工造林和放牧活動,我們主要從國家林業(yè)和草原局(http://www.forestry.gov.cn/)收集相關(guān)數(shù)據(jù),用于分析人類活動的影響。
植被覆蓋度是指研究區(qū)內(nèi)各種植被在地面上的垂直投影面積占總面積的百分比。該指標(biāo)反映了植被的覆蓋程度,常用于氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、植被生長監(jiān)測、水土保持等方面。植被覆蓋度的測量方法可分為實地測量和遙感估計,實地測量適合局部植被,遙感估算適合大范圍的植被。目前利用遙感影像估算植被覆蓋度的方法很多,比較常用的是運(yùn)用像元二分模型和植被指數(shù)(I)近似估算植被覆蓋度。根據(jù)混合像元的思想,把一個像素理解為包含植被和土壤背景的混合像元,每個像元的植被覆蓋度為通過減去土壤指數(shù)的植被指數(shù)值,其計算公式為:VFC=(I-Isoil)/(Iveg-Isoil)。式中:VFC為植被覆蓋度;Iveg為完全最高植被覆蓋度像元的植被指數(shù)值(純植被像元的植被指數(shù)值);Isoil為無植被覆蓋區(qū)域或全為裸土像素的土壤歸一化指數(shù)。理論上,Isoil的值應(yīng)該接近零,但由于周邊環(huán)境和成像質(zhì)量、大氣影響等條件的不同,Isoil會隨著時空位置和尺度的變化而變化。因此,對不同的圖像采用不變的Isoil值是不合理的,最好是從圖像中自適應(yīng)計算Isoil。
當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)可以近似獲得Imax=100%、Imin=0時,植被覆蓋度計算公式為:VFC=(I-Imin)/(Imax-Imin)。式中:Imax、Imin分別為區(qū)域內(nèi)歸一化植被指數(shù)(即歸一化植被指數(shù)是反映地表植被覆蓋狀況的遙感指標(biāo),范圍[-1,1],負(fù)值表示地面覆蓋為水、雪等,0表示有巖石或裸土等,正值表示有植被覆蓋)的最大和最小值。考慮到噪聲的影響,需要根據(jù)圖像實際情況確置信度范圍,然后在這個范圍內(nèi)取可靠的歸一化植被指數(shù)最大值與最小值。
當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)不能近似取Imax=100%、Imin=0時。如果研究區(qū)有實地測量的數(shù)據(jù),可利用實測數(shù)據(jù)的Imax、Imin作為計算中的植被覆蓋度最大值、最小值,并在圖像中找到他們對應(yīng)的圖像位置的歸一化植被指數(shù)值作為Imax、Imin。如果沒有實測數(shù)據(jù),考慮到噪聲的影響,需要根據(jù)圖像實際情況確定置信度范圍,然后在范圍內(nèi)取可靠的歸一化植被指數(shù)最大值與最小值。
本文根據(jù)以往經(jīng)驗,結(jié)合整幅影像的灰度值分布,以5%和95%置信度截取歸一化植被指數(shù)的上下限閾值分別近似代表Iveg、Isoil,則植被覆蓋度計算公式如下:VFC=(I-I5)/(I95-I5)。式中:I5、I95分別為整個生長季歸一化植被指數(shù)累計概率為5%和95%的歸一化植被指數(shù)。
植被覆蓋度反映了區(qū)域植被所占百分比,可以反過來計算區(qū)域裸土或無植被地區(qū)(即荒漠區(qū))的百分比,因此可用于監(jiān)測荒漠土地的現(xiàn)狀和變化。根據(jù)植被覆蓋度的定義,兩者的關(guān)系是植被覆蓋度高,則土地荒漠化程度低;植被覆蓋度低,則土地荒漠化程度高。
極干旱和干旱區(qū):植被覆蓋度大于70%為未荒漠化(潛在荒漠化);50%<植被覆蓋度≤70%為輕度荒漠化;25%<植被覆蓋度≤50%為中度荒漠化;10%<植被覆蓋度≤25%為重度荒漠化;植被覆蓋度≤10%為極重度荒漠化。
其他氣候類型區(qū):植被覆蓋度大于80%為未荒漠化(潛在荒漠化),這種地區(qū)完全沒有沙化土地,作物生長旺盛,郁閉度很高;60%<植被覆蓋度≤80%為輕度荒漠化;30%<植被覆蓋度≤60%為中度荒漠化;10%<植被覆蓋度≤30%為重度荒漠化;植被覆蓋度≤10%為極重度荒漠化。
未荒漠化(潛在荒漠化)地區(qū)完全沒有沙化土地,作物生長旺盛,郁閉度很高;輕度荒漠化地區(qū)沒有沙化土地,作物生長旺盛,郁閉度很高;中度荒漠化地區(qū)存在一定風(fēng)沙活動的沙化土地,作物長勢不旺、缺苗較多,存在散亂分布的沙化耕地;重度荒漠化地區(qū)存在明顯風(fēng)沙流活動和明顯可見的沙化土地,風(fēng)蝕殘丘、風(fēng)蝕劣地或戈壁,作物生長很差;極重度荒漠化地區(qū)多是沙化土地、戈壁。
肯德爾·曼檢驗方法在水質(zhì)、徑流、氣溫、降水等時間序列數(shù)據(jù)的趨勢變化和異常探測領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[14]??系聽枴ぢ鼨z驗的樣本不需要遵循特定的分布,可有效避免少數(shù)噪聲的影響,具有穩(wěn)健性和普適性,適用于各種非正態(tài)、存在觀測誤差的實際觀測數(shù)據(jù)的分析計算。肯德爾·曼檢驗中,原假設(shè)H0為n個獨立的、隨機(jī)變量同分布的樣本時間序列數(shù)據(jù)(X1,…,Xn);備選假設(shè)H1是雙邊檢驗,對于所有的k,j≤n,且k≠j,Xk和Xj的分布是不相同的,檢驗的統(tǒng)計量S計算如下式:
S為正態(tài)分布,其均值為0,方差Vαr(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10時,標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)系統(tǒng)變量通過下式計算:
在雙邊的趨勢檢驗中,給定的置信水平α,如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)不可接受,即在置信水平上,時間序列數(shù)據(jù)存在上升或下降變化趨勢。也就是說,當(dāng)統(tǒng)計量Z小于0時,表征下降趨勢;當(dāng)統(tǒng)計量Z大于0時,表征上升趨勢;通Z的絕對值大小可用于判斷這種變化的顯著性。當(dāng)Z大于等于2.32、1.64、1.28時,分別表示目標(biāo)時間序列數(shù)據(jù)的變化通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗。
利用2015年生長季中晚期(8月)植被覆蓋度最大的時期,分析全國及各省區(qū)土地荒漠化現(xiàn)狀。根據(jù)2015年8月的歸一化植被指數(shù)圖像計算當(dāng)月植被覆蓋度,并將植被覆蓋度分為0、1、2、3、4共5個層次,分別對應(yīng)荒漠化程度的極重度、重度、中度、輕度和未荒漠化(潛在荒漠化)。然后利用從2000—2014年每年8月份歸一化植被指數(shù)合成圖像,制作了全國植被覆蓋序列圖,結(jié)合2015年植被覆蓋圖,監(jiān)測和分析全國土地荒漠化時空動態(tài)。
由圖2可知,即使是在植被生長旺季的8月份,西北部沙漠、戈壁地區(qū)的植被覆蓋度仍然低,荒漠化程度嚴(yán)重(塔克拉瑪干沙漠、柴達(dá)木盆地沙漠和騰格里沙漠等處植被覆蓋度接近于0);青藏高原和川西、云貴高山草甸地區(qū)、內(nèi)蒙東部草原區(qū)植被覆蓋度稍好;東北、華北、中原、西南和江南農(nóng)耕區(qū)以及林區(qū)植被覆蓋度最好。由于歸一化植被指數(shù)對高植被覆蓋度不敏感,沒有體現(xiàn)出農(nóng)耕區(qū)和林區(qū)的植被覆蓋度差異。
圖2 2015年8月全國土地植被覆蓋度
按荒漠化程度級別分析,荒漠化土地總面積為268萬km2,其中,輕度荒漠化的土地面積為80萬km2,占全部荒漠化土地面積的比例為29.9%;中度荒漠化的土地面積為93萬km2,占全部荒漠化土地面積的比例為34.7%;重度荒漠化的土地面積為41萬km2,占全部荒漠化土地面積的比例為15.3%;極重度荒漠化的土地面積為54萬km2,占全部荒漠化土地面積的比例為20.1%。
由圖3可知,從2000年以來的監(jiān)測結(jié)果來看,我國荒漠化的整體趨勢正在好轉(zhuǎn),只有局部地區(qū)存在擴(kuò)展的情況。隨著京津風(fēng)沙源治理工程實施,河北壩上和渾善達(dá)克沙漠等地區(qū)的植被得到明顯恢復(fù),土地荒漠化的擴(kuò)展趨勢得到了顯著的遏制,生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)一步改善。通過應(yīng)急輸水和治理,黑河下游和塔里木河下游兩個地區(qū)的綠洲萎縮、植被衰退的態(tài)勢得到了一定緩解,局部范圍植被開始恢復(fù),但是距離生態(tài)完全恢復(fù)尚有較大差距??茽柷呱衬?、呼倫貝爾沙漠、毛烏素沙漠、渾善達(dá)克沙漠和庫布其沙漠等地區(qū)的植被覆蓋度也增加了8.3個百分點,沙化面積顯著減少,生態(tài)環(huán)境狀況得到改善。其中,由于水體和植被資源利用不當(dāng)、過度放牧以及降水不足的共同影響,黃河首曲、三江源下游等區(qū)域沙化土地仍在持續(xù)擴(kuò)展,生態(tài)狀況未有得到改善,但擴(kuò)展的速度已經(jīng)趨緩。從荒漠化程度看,重度以上荒漠化土地面積呈現(xiàn)總體減少的趨勢,如極重度荒漠化土地和重度荒漠化的土地面積分別減少2.83萬km2和2.44萬km2。而中度以下荒漠化的土地面積總體增加,中度以下的荒漠化土地面積由62.28%增加到64.14%,中度荒漠化土地面積增加了4.29萬km2,輕度荒漠化土地面積增加了8.36萬km2。
對氣象站點的數(shù)據(jù),利用Matlab首先讀取了2000—2015年平均每日氣溫,并計算月均氣溫和年均氣溫,然后按每個站點對其歷年來每月數(shù)據(jù)按時間序列排序,利用肯德爾·曼算法分析每個站點多年來變化趨勢,并檢測其在95%置信度下變化顯著性。
由圖4(a)可知,共149個站點的氣溫發(fā)生顯著變化,其中40個站點的氣溫發(fā)生顯著降低,109個站點的氣溫顯著升高。氣溫降低的站點主要分布在東部地區(qū)和新疆中部;氣溫升高的站點主要分布在甘肅北部、云南、青海和西藏東部,其中云南發(fā)生溫度升高的站點占到了總站點的3/4,西藏發(fā)生溫度升高的站點占到了總站點的1/3。因此,云南、西藏及川西地區(qū)發(fā)生了顯著的溫度上升,氣候變暖現(xiàn)象。
從圖4(b)可見,共104個站點的降水發(fā)生顯著變化,其中33個站點的降水發(fā)生顯著降低,71個站點的降水顯著升高。降水降低的站點主要分布在西藏東部、云南西部到河南中部一個條帶;降水升高的站點主要分布在青海中部、東北和江淮平原,云南發(fā)生降水降低的站點占到了總站點的1/2,東北和江淮平原降水增加的站點比較密集。而且,對照氣溫的變化,發(fā)現(xiàn)西藏東部和云南大部溫度上升、降水下降,對當(dāng)?shù)貧夂?、植被生長發(fā)生比較顯著的影響。
圖3 2000—2015年全國8月植被覆蓋度
從全國整體來講,發(fā)生顯著氣候變化的站點和區(qū)域是相對較少的,解釋了全國歷年來總體上植被覆蓋未發(fā)生顯著變化的原因。東部大部分地區(qū),由于其氣溫、降水、地形等基礎(chǔ)條件較好,局部氣溫升高,降水下降難以引起大面積的土地荒漠化。而在西藏東部、云南山區(qū),2000年以來氣溫不斷升高,降水量顯著下降,不良的氣候變化使地下水位不斷下降,導(dǎo)致該地區(qū)鹽質(zhì)的荒漠化土地逐漸轉(zhuǎn)變成為沙質(zhì)的荒漠化土地。西藏地區(qū)荒漠化土地以砂礫石裸地為主,說明該地區(qū)土地荒漠化的主要驅(qū)動因素為自然作用,人為因素作用不大。土地荒漠化的基礎(chǔ)條件是干旱半干旱的氣候環(huán)境,目前全球氣候變化趨勢是土地荒漠化的重要驅(qū)動因素。此外,在人口增長的壓力下,普遍存在草原過度放牧、森林過度采伐和耕地面積不斷擴(kuò)大,使得草場、林地均遭到大面積破壞,加大了對土地資源利用的壓力,導(dǎo)致了土地的荒漠化。同時,工程建設(shè)和水資源的不合理利用也是引起土地荒漠化的重要因素。
面對我國嚴(yán)峻的土地荒漠化形式,黨中央和國務(wù)院高度重視土地荒漠化的防治工作,研究制定了采取了具有重大指導(dǎo)意義的方針政策和措施方案。1978年,我國啟動了“三北”防護(hù)林建設(shè)工程,目前已累計造林達(dá)2 374萬hm2;1988年,我國啟動了全國平原綠化工程,目前已累計造林達(dá)710萬hm2;1989年,我國啟動了長江流域防護(hù)林工程,目前已累計造林達(dá)832萬hm2;1991年,我國啟動了沿海防護(hù)林工程,目前已累計造林達(dá)386.4萬hm2。1998年特大洪災(zāi)之后,為徹底改善我國生態(tài)環(huán)境急劇惡化的趨勢,黨中央和國務(wù)院提出了災(zāi)后重建、整治江湖的重要措施——封山植樹和退耕還林。退耕還林工程實施以來,我國林地面積呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,由工程實施以前的每年增加林地400~500萬hm2,變化為連續(xù)多年每年林地面積增加超過667萬hm2。經(jīng)過幾十年來的建設(shè),林地面積顯著增加,荒漠化土地顯著減少,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。
為徹底改善我國生態(tài)環(huán)境急劇惡化的趨勢,黨中央和國務(wù)院提出天然林資源保護(hù)工程,包括全面停止黃河中上游和長江上游地區(qū)全部天然林采伐,并大幅度調(diào)減內(nèi)蒙古、東北等地區(qū)天然林的商品性采伐量。內(nèi)蒙古和東北國有林區(qū)的植被覆蓋度比上次森林資源清查提高了5.58%;天然森林的面積和蓄積量總量分別達(dá)到了2 451萬hm2和23.72億m3,分別增加113萬hm2和4 000萬m3。據(jù)初步統(tǒng)計,實施天然林資源保護(hù)工程以來,已經(jīng)累計減少消耗森林資源2.3億m3,長期存在的過量消耗森林資源的嚴(yán)峻態(tài)勢得到了有效遏制,森林面積和蓄積實現(xiàn)了同步增長。
以植被覆蓋度作為荒漠化評價主要指標(biāo),利用2000—2015年氣溫、降水等數(shù)據(jù),分析我國土地荒漠化時空變化,以及自然因素和人類活動對土地荒漠化動態(tài)的影響。我國土地荒漠化呈整體得到初步遏制,荒漠化土地持續(xù)減少,局部仍有擴(kuò)展的趨勢;全國大部分地區(qū)氣象因子未發(fā)生顯著變化,但西藏東部和云南山區(qū)氣溫上升、降水下降,對土地荒漠化起到了推進(jìn)作用;黨和國家實施的人工造林、退耕還林和天然林保護(hù)工程等政策對遏制我國土地荒漠化具有重要作用。